TGS2600 Gassensor an Raspberry Pi anschließen für Schadgasdetektion

Analoge vs. digitale Signale

Flüchtige Schwefelverbindungen – die Hauptursache für üble Gerüche – zu detektieren, erfordert einen Sensor, der niedrige Konzentrationen erfassen kann. Der Figaro TGS2600 ist hierfür konzipiert. Er nutzt ein beheiztes Sensorelement, das seinen elektrischen Widerstand ändert, wenn es Gasen wie Schwefelwasserstoff oder Methan ausgesetzt wird. Durch Messung dieser Widerstandsänderung gibt der Sensor eine analoge Spannung aus, die mit steigender Gaskonzentration ansteigt.

Im Gegensatz zu digitalen Signalen, die streng binär (0 oder 1) sind, spannen analoge Signale einen kontinuierlichen Bereich. Eine einfache Analogie: Ein Lenkrad lässt sich sanft oder voll einschlagen, während ein digitales Lenksystem nur volle Links- oder Rechtsstellung erlaubt. Der TGS2600 liefert ein volles analoges Spannungsspektrum, aber die GPIO-Pins des Raspberry Pi können nur digitale Zustände lesen.

Analog-zu-Digital-Umsetzung am Pi

Die GPIO-Pins des Pi sind 3,3 V digitale Eingänge. Liegt eine Spannung unter ~1,1 V an, liest der Pin LOW; über ~1,4 V HIGH. Um einen Alarm auszulösen, wenn der Sensor einen Anstieg detektiert, können wir den Sensor-Ausgang knapp unter den Schwellwert bringen und jeden plötzlichen Anstieg in den HIGH-Bereich überschreiten lassen. Dies eliminiert die Notwendigkeit eines externen ADC, sofern keine präzisen Konzentrationswerte erforderlich sind.

Schwellwert per Widerstandsleiter einstellen

Der TGS2600-Ausgang kann von 0 V (reine Luft) bis 3,3 V (starke Kontamination) schwingen. Ein einzelner 47 kΩ Widerstand zieht das Signal Richtung Masse, aber Luftschwankungen können die Spannung trotzdem über den GPIO-Schwellwert drücken. Durch Hinzufügen eines digital-gesteuerten Widerstandsleiters – vier 47 kΩ Widerstände, jeder an einen GPIO-Pin gebunden – können wir selektiv Widerstände zur Masse schalten und den effektiven Widerstand in Echtzeit anpassen. Diese „Digital-zu-Analog“-Konvertierung lässt den Pi eine stabile Detektionsschwelle ohne manuelles Tuning halten.

Sensor verdrahten

Der Sensor hat vier Pins:

1. Heizung negativ
2. Sensorelektrode negativ
3. Sensorelektrode positiv
4. Heizung positiv

Sensor über die mittlere Breadboard-Lücke platzieren. Pins 3 und 4 an 3,3 V, Pins 1 und 2 an Masse anschließen. Der Sensorausgang (Pin 2) speist den Widerstandsleiter und den Trigger-GPIO.

Trigger-Pin anschließen

Pi ausschalten, dann Sensorausgang an GPIO 4 anschließen. 47 kΩ Widerstand zwischen Ausgang und Masse als Baseline-Spannung hinzufügen. Weitere Widerstände folgen im nächsten Abschnitt.

Widerstandsleiter DAC aufbauen

Jeder der verbleibenden vier 47 kΩ Widerstände wird parallel zum Sensorausgang und einem dedizierten GPIO-Pin angeschlossen. Setzt man einen Pin auf OUTPUT und treibt ihn LOW, wird dieser Widerstand an Masse gelegt und zieht die Sensorspannung nach unten. Setzt man den Pin auf INPUT, wird der Widerstand effektiv getrennt. Die Kombination aktiver Widerstände definiert den Gesamt-Shunt-Widerstand und erlaubt dem Pi, den Sensorausgang knapp unter dem HIGH-Schwellwert unter variierenden Hintergrundbedingungen zu halten.

Funktionsweise

Der Gesamt-Shunt-Widerstand ist immer kleiner als jeder einzelne Widerstand, da sie parallel geschaltet sind. Je mehr Widerstände aktiviert werden, desto geringer der effektive Widerstand, desto mehr Strom wird vom Sensor gezogen und dessen Ausgangsspannung gesenkt. Diese digitale Kontrolle über ein analoges Signal ist im Wesentlichen ein Low-Cost DAC, der responsive und präzise Gasdetektion ermöglicht.

Für detailliertere Anleitung siehe das vollständige Tutorial: Connect a sensor to your Raspberry Pi to warn you when there are noxious gases about!